餐廚垃圾處置: 敢問路在何方?

固廢網(wǎng)訊:“餐廚垃圾處置難已成為全球共識，其未來的發(fā)展將走向何方？零固體排放驅(qū)動的資源回收策略可為未來餐廚垃圾的處置提供新的思路?！?/p>

餐廚垃圾處置現(xiàn)狀

餐廚垃圾主要包括餐飲垃圾 (剩飯剩菜等) 和廚余垃圾 (烹飪余料等)，其產(chǎn)量隨人口和經(jīng)濟的快速發(fā)展而與日俱增。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織報道，2018年全球的糧食浪費總量已高達16億噸，約占糧食總產(chǎn)量的1/3。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處置方式包括好氧堆肥、厭氧消化、乙醇發(fā)酵和飼料發(fā)酵等生物技術(shù)，但由于技術(shù)本身的固有屬性而使其均未能在餐廚垃圾處置過程中得到廣泛應(yīng)用。例如，好氧堆肥存在發(fā)酵周期長、占地面積大、易產(chǎn)生二次污染等問題；厭氧消化對餐廚垃圾中的有機質(zhì)降解率偏低（約40-60%），剩余未被利用的殘渣需經(jīng)后續(xù)的焚燒或者填埋處置，造成N、P等資源的浪費；乙醇發(fā)酵可回收乙醇，但其濃度較低（約5-10%），需經(jīng)后續(xù)的蒸餾和純化等輔助工藝轉(zhuǎn)為商用，從而導(dǎo)致整體技術(shù)運行和能耗成本較高；餐廚垃圾生產(chǎn)飼料存在同源性污染，具有引起多種傳染疾病（如瘋牛病、癢病等）的潛在風(fēng)險。

焚燒法可在一定程度上實現(xiàn)餐廚垃圾處置的減量化和能源化，是目前餐廚垃圾主要的處置技術(shù)。但該過程尚存在能耗較高，易產(chǎn)生有害氣體等問題，且其殘留的灰分仍需后續(xù)的填埋處置。以新加坡為例，其每年用于餐廚垃圾焚燒的電能高達4800萬千瓦時，而產(chǎn)生的灰分足可填滿13個奧林匹克游泳池。隨著人口增長和城市化的發(fā)展，能源和土地資源十分有限，因此上述單一的處置方式往往不能滿足餐廚垃圾處置對于環(huán)境友好和經(jīng)濟可持續(xù)的要求。集減量化、無害化、資源化和能源化于一體將是未來餐廚垃圾處置技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)和指導(dǎo)思路。

零固體排放驅(qū)動的資源回收策略

餐廚垃圾富含有機質(zhì)和營養(yǎng)元素，可用于制備生物燃料和生物有機肥，但由于其成分復(fù)雜、生物直接利用率低等問題導(dǎo)致其整體處置效率偏低。預(yù)處理可強化餐廚垃圾水解而提高整體處置效率。研究團隊以餐廚垃圾為原料研發(fā)了一種廉價高效的新型復(fù)合水解酶(Fungal mash)，該酶無需分離純化，可直接用于餐廚垃圾的超速水解(6-8h)。基于該核心技術(shù)可構(gòu)建一系列集成新工藝，實現(xiàn)餐廚垃圾中能源(碳)和資源 (氮、磷等）的同時回收及零固體排放——零固體排放驅(qū)動的資源回收策略。

具體來說，零固體排放驅(qū)動的資源回收策略包括：（1）超速水解耦合厭氧消化的集成工藝；（2）超速水解耦合乙醇發(fā)酵的集成工藝（3）超速水解耦合厭氧共消化的集成工藝和（4）超快速水解耦合固/液生物有機肥生產(chǎn)的集成工藝（圖1）。

圖 1 餐廚垃圾零固體排放驅(qū)動的資源回收策略

餐廚垃圾首先在Fungal mash作用下快速水解，水解產(chǎn)物經(jīng)簡單的固液分離后，固體部分的NPK和重金屬含量滿足中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (NY525和NY884)，可直接用作生物有機肥，而液體部分富含高濃度溶解有機質(zhì)（溶解性COD高達200g/L）可通過多種生物技術(shù)實現(xiàn)快速的能源和資源回收，最終實現(xiàn)餐廚垃圾的零固體排放。零固體排放驅(qū)動的資源回收策略的確可為未來餐廚垃圾處置提供新的方向，而該策略的集成工藝具有較高的工程靈活性，可應(yīng)用于不同規(guī)模的餐廚垃圾處置。

對于分散小規(guī)模的餐廚垃圾處置，例如，新加坡每個食閣每天可產(chǎn)生約500-800千克的餐廚垃圾，可采用超速水解耦合固/液生物有機肥生產(chǎn)的集成工藝就地處理，原位生產(chǎn)的固態(tài)和液態(tài)生物有機肥可直接用于周邊農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)，可節(jié)省大量的餐廚垃圾收集和運輸費用。此外，也可采用超速水解耦合厭氧消化的集成工藝，液體部分富含高濃度溶解有機質(zhì)可直接排入市政廢水處理廠的厭氧反應(yīng)器生產(chǎn)甲烷（回收能源），據(jù)衡算，該過程回收的電能約為新加坡廢水處理總能耗的50%以上。

對于大規(guī)模的餐廚垃圾處置，餐廚垃圾經(jīng)Fungal mash超快速水解制備的固態(tài)生物有機肥同樣可直接用于周邊園藝業(yè)和農(nóng)業(yè)，而水解液體富含高濃度的溶解有機質(zhì)可用于大規(guī)模集中生產(chǎn)生物能源，例如生物乙醇或者生物甲烷。此外，目前高能耗對全球的廢水處理行業(yè)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的污泥厭氧消化所回收的能源僅僅能滿足污水處理廠總能耗的30%，所以將富含高濃度溶解有機質(zhì)的水解液和剩余污泥進行厭氧共消化會顯著提高厭氧消化效率和能源回收率，實現(xiàn)市政廢水處理的能源自給。

新策略助力綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展

農(nóng)業(yè)的發(fā)展提高了全球肥料的市場需求。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織報道，2018年全球農(nóng)業(yè)化肥消耗量高達2億噸，過度使用化肥不僅會導(dǎo)致土質(zhì)惡化和生產(chǎn)力下降，而且不利于經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，綠色農(nóng)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟得到大力發(fā)展，與此同時對生物有機肥的需求量也大幅增加，顯示了巨大的市場潛力。2018年，全球餐廚垃圾產(chǎn)量約為16億噸，如圖2所示，若選用超速水解耦合固/液生物有機肥生產(chǎn)的集成工藝，全球每年利用餐廚垃圾制備的固態(tài)有機肥約為5億噸， 足以滿足全球?qū)r(nóng)業(yè)肥料的需求。這不僅顯著降低農(nóng)業(yè)投入成本，而且兼具極高的經(jīng)濟價值和環(huán)境價值。除此之外，2018年全球農(nóng)業(yè)用水量達2.8萬億立方米，占全球淡水總用量的70％。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量將持續(xù)增長，進一步加劇全球淡水資源短缺的困境。采用超速水解耦合固/液生物有機肥生產(chǎn)的集成工藝，可回收利用兼具灌溉功能的液態(tài)有機肥，在一定程度上緩解全球水資源的壓力，使綠色循環(huán)循環(huán)農(nóng)業(yè)成為可能。

圖2 基于餐廚垃圾處置的綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)概念圖

新策略助力餐廚垃圾與廢水協(xié)同處置

目前，市政廢水處理正面臨著高能耗的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。餐廚垃圾和市政廢水協(xié)同處置可充分利用兩者在技術(shù)、材料、設(shè)備和資源等方面的優(yōu)勢進行互補，有望實現(xiàn)餐廚垃圾有效經(jīng)濟處置與廢水處理能源自給的雙贏目標(biāo) (圖3)。具體來說，以中國為例，2012年全國市政廢水處理總量約為412.6億m3，總能耗約為168.6億kWh，并產(chǎn)生大約3400萬噸剩余污泥，而于此同時全國餐廚垃圾產(chǎn)量約為9000萬噸。若采用零固體排放驅(qū)動的資源回收策略提出的超速水解耦合厭氧共消化的集成工藝，每年約回收電能264.4億kWh，不僅可滿足全國廢水處理的能耗需求，實現(xiàn)處理過程能源自給，且剩余的電能可用于創(chuàng)造經(jīng)濟效益。除此之外，經(jīng)水解分離的固體中富含氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，可作為生物有機肥用于農(nóng)業(yè)及園藝業(yè)等。餐廚垃圾和市政廢水的協(xié)同處置不僅可實現(xiàn)餐廚垃圾固體零排放，且大大減少了剩余污泥體積，緩解其后續(xù)的處置壓力。

圖3 餐廚垃圾和市政廢水協(xié)同處置概念圖

前景展望

集減量化、無害化、資源化和能源化與一體將是未來餐廚垃圾處置技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)，而該目標(biāo)的實現(xiàn)有賴于技術(shù)思維的轉(zhuǎn)變。零固體排放驅(qū)動的資源回收策略為未來的餐廚垃圾處置提供了新的思路，有助于實現(xiàn)環(huán)境友好和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。